8875
.pdfбессемеровских конверторах (в настоящее время этот процесс уже не применяется) и кислородных конверторах, а углеродистая качественная,
низколегированная и среднелегированная – в мартеновских и электросталеплавильных печах, а в последние годы – и в кислородных конверторах. Высоколегированные стали выплавляются только в электросталеплавильных печах и при специальных переплавах.
Конструкционные стали особо высокого качества выплавляются в последние годы в индукционных вакуумных печах, а также методами вакуумно-дугового,
электрошлакового, электронно-лучевого и плазменного переплавов.
По степени раскисленности (степени связанности кислорода в жидкой стали) углеродистые стали обыкновенного качества и качественные конструкционные подразделяются на спокойные, кипящие и полуспокойные.
Развитие сортамента конструкционных сталей во многом определяет эксплуатационные характеристики многих машин, оборудования и металлоконструкций, создает предпосылки для разработки новых, более эффективных образцов техники, обеспечивает более экономное и рациональное использование металла в народном хозяйстве, является важным фактором снижения материалоемкости изделия и конструкций из металла, повышения эффективности общественного производства. В связи с этим работы по созданию новых марок конструкционных сталей в нашей стране и за рубежом ведутся постоянно. Развиваются способы улучшения качественных характеристик выплавляемых сталей, применяются многообразные легирующие элементы, новые, более эффективные их сочетания и способы ввода в жидкий металл.
Основным направлением является постоянное расширение марочного сортамента конструкционных сталей, создание технологических и эксплуатационных свойств, наиболее полно отвечающих конкретным условиям применения и службы металла. Развитие марочного сортамента конструкционных, а также сталей других типов неразрывно связано с развитием стандартизации в нашей стране.
71
На конструкционные стали и металлопродукцию существуют два вида нормативной документации: базовые государственные стандарты (ГОСТ),
порядковые номера которых начиная с 1941 г. не меняются при периодическом их пересмотре, а также государственные стандарты на группу специальных сталей, применяющихся для конкретных целей; технические условия стали,
которые применяются в ограниченных количествах, в одной отрасли для узкой цели или производятся в опытно-промышленном порядке. Марочный состав сталей, а также их химический состав с развитием техники и технологии металлургического производства и постоянно растущих требований металлопотребляющих отраслей постоянно пересматриваются, корректируются в сторону повышения качества и расширения марочного сортамента.
Влияние углерода и постоянных примесей на свойства сталей
Углерод оказывает определяющее влияние на свойства стали. В
равновесном состоянии сталь представляет смесь феррита и цементита, в
которой количество последнего увеличивается пропорционально содержанию углерода.
Феррит малопрочен и пластичен. Цементит твёрд и хрупок. В связи с этим по мере повышения концентрации углерода повышается прочность и твердость,
снижаются пластичность и вязкость стали (рис. 1.38).
На механические свойства заэвтектоидных сталей сильное влияние оказывает вторичный цементит, образующий хрупкий каркас вокруг зерен перлита. Под нагрузкой этот каркас преждевременно разрушается, вызывая снижение прочности, пластичности и вязкости. Из-за этих недостатков заэвтектоидные стали применяют после специального отжига со структурой зернистого перлита.
Влияние углерода еще более значительно при неравновесной структуре.
После закалки прочность и твердость резко возрастают с увеличением содержания углерода. При низком отпуске эти свойства полностью определяются концентрацией углерода в твердом растворе.
72
Рис. 1.38. Влияние углерода на механические свойства отожженных сталей
С увеличением содержания углерода снижается технологическая пластичность – способность деформироваться в горячем и особенно в холодном состояниях. Для сложной холодной штамповки содержание углерода ограничивают 0,1 мас.%.
Постоянные примеси в стали: марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород.
Содержание Mn и Si обусловлено процессом выплавки стали. Для того чтобы освободиться от FeO (закиси железа), образующегося при плавке и ухудшающего свойства стали, вводят Mn и Si. Этот процесс называют раскислением стали. При этом содержание Mn не должно превышать 0,8 мас.%, a Si – 0,4 мас.%. Содержание Mn и Si в таком количестве практически не оказывает влияния на механические свойства углеродистых сталей
(оказывается незначительное упрочняющее действие). Более высокое содержание этих элементов существенно изменяет свойства стали.
Сера и фосфор являются вредными примесями. Содержание более чем 0,05
мас.% каждой из этих примесей резко ухудшает качество стали.
73
Вредное действие S связано с явлением красноломкости стали, т. е. с
повышенной хрупкостью (образованием трещин) в горячем состоянии при ковке и прокатке. Красноломкость стали является следствием того, что S,
соединяясь с Fe, образует эвтектику, температура плавления которой 988°С (значительно ниже температуры плавления стали). При кристаллизации эвтектика располагается по границам зерен, а при нагревании стали для ковки или прокатки эвтектика плавится, связь между зернами нарушается, сталь становится хрупкой. Красноломкость ослабляется введением Mn, образующего с S сульфид марганца, температура плавления которого 1620°С.
Вредное действие Р заключается в резком увеличении хрупкости стали при обычной температуре. Это явление, называемое хладноломкостью, возникает в результате того, что Р, растворяясь в феррите, существенно увеличивает его хрупкость при обычных температурах. Вредное влияние Р оказывается более значительным при повышении содержания С. Однако, например, для облегчения обрабатываемости автоматных сталей (с содержанием до 0,3 мас.%
С) допускается повышенное содержание Р (до 0,15 мас.%) и S (до 0,2 мас.%).
Газы Н, О, N содержатся в стали в небольших количествах в зависимости от способа производства. Они ухудшают свойства стали снижая прочность и пластичность. При вакуумной плавке уменьшается содержание Н, N и О, а
также неметаллических примесей.
Классификация и маркировка сталей и чугунов
Углеродистые стали обыкновенного качества поставляются горячекатаными в виде проката (уголки, швеллеры, листы, прутки и т.д.).
Данные стали регламентируются ГОСТ 380 – 94.
Углеродистые стали обыкновенного качества в зависимости от гарантируемых свойств объединены в группы А, Б, В. По группе А стали поставляют с гарантированными механическими свойствами, по группе Б – химическими и по группе В – с теми и другими одновременно. В маркировке этих сталей также указывается сочетание букв «Ст» с цифрой (от 0 до 6),
74
указывающей номер марки, далее приводится степень раскисления: если «сп» –
то спокойная, «пс» – полуспокойная и «кп» – кипящая. Например, ВСт5пс,
АСт3сп и БСт1кп.
Механические свойства сталей обыкновенного качества регламентируются ГОСТ 535 – 88 и приведены в табл. 1.3.
Спокойную и полуспокойную сталь изготавливают Ст1 – Ст6, кипящую – Ст1–Ст4. Сталь Ст0 по степени раскисления не разделяют, в ней приводится только содержание углерода (С< 0,23 %), серы (S < 0,06 %) и фосфора (Р < 0,07 %). В остальных марках регламентировано содержание С, Mn, Si, S, P, а также
As и Р.
Для сталей обыкновенного качества, кроме Ст0, справедлива следующая формула по определению углерода: С (%) ≈ 0,07 х номер марки. Так, в стали СтЗ содержание C ≈ 0,07 х 3 ≈ 0,21 % (фактически 0,14 - 0,22 %).
|
|
|
Таблица 1.3 |
|
|
Механические свойства углеродистых сталей |
|||
|
|
|
|
|
Марка |
σВ, МПа |
σТ, МПа |
δ, % |
|
Ст0 |
Не менее 310 |
– |
20 – 23 |
|
Ст1кп |
310 – 390 |
– |
32 – 35 |
|
Ст1пс, Ст1сп |
310 – 410 |
– |
31 – 35 |
|
Ст2кп |
320 – 410 |
185 – 215 |
30 – 35 |
|
Ст2пс, Ст2сп |
330 – 430 |
195 – 225 |
29 – 32 |
|
Ст3кп |
360 – 460 |
195 – 235 |
24 – 27 |
|
Ст3пс, Ст3сп |
370 – 480 |
205 – 245 |
23 – 26 |
|
Ст3Гпс |
370 – 490 |
205 – 245 |
23 – 26 |
|
Ст3Гсп |
390 – 570 |
245 |
24 |
|
Ст4кп |
400 – 510 |
225 – 255 |
22 – 25 |
|
Ст4пс, Ст4сп |
410 – 530 |
235 – 265 |
21 – 24 |
|
Ст5сп, Ст5пс |
500 – 630 |
255 – 285 |
17 – 20 |
|
Ст5Гпс |
450 – 590 |
255 – 285 |
17 – 20 |
|
Ст6пс, Ст6сп |
Не менее 590 |
295 – 315 |
12 – 15 |
|
В случае, если стали производят с повышенным (0,80 - 1,1 %) содержанием марганца, в маркировке будет указываться буква «Г»: СтЗГпс, СтЗГсп, Ст5Гпс.
75
Содержание кремния зависит от способа раскисления стали: у кипящих – не более 0,05 %, у полуспокойных – не более 0,15 %, у спокойных – не более
0,30 %.
Углеродистые качественные стали маркируются по содержанию углерода. Такие стали отличаются меньшим содержанием вредных примесей и неметаллических включений. Их поставляют с гарантированным химическим составом и механическими свойствами (табл. 1.4).
Как видно из табл. 4.2, маркируются эти стали двухзначными числами: 08, 10, 15, 20, 25, …60, обозначающими среднее содержание углерода в сотых долях процента (ГОСТ 1050-80). Например, сталь 20 содержит в среднем 0,2
мас.% углерода, сталь 50 – 0,5 мас.% и т.д.
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1.4 |
|
|
Свойства углеродистых качественных сталей (ГОСТ 1050-80) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Марка |
|
σВ |
|
σТ |
δ |
ψ |
|
KCU, |
|
стали |
С, мас.% |
|
МПа |
|
% |
НВ |
МДж/м |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
08 |
0,05 – 0,12 |
330 |
|
200 |
33 |
60 |
131 |
– |
|
10 |
0,07 – 0,14 |
340 |
|
210 |
31 |
55 |
143 |
– |
|
15 |
0,12 – 0,19 |
380 |
|
230 |
27 |
55 |
149 |
– |
|
20 |
0,17 – 0,24 |
420 |
|
250 |
25 |
55 |
163 |
– |
|
25 |
0,22 – 0,30 |
460 |
|
280 |
23 |
50 |
170 |
0,9 |
|
30 |
0,27 – 0,35 |
500 |
|
300 |
21 |
50 |
179 |
0,8 |
|
35 |
0,32 – 0,40 |
540 |
|
320 |
20 |
45 |
207 |
0,7 |
|
40 |
0,37 – 0,45 |
580 |
|
340 |
19 |
45 |
217 |
0,6 |
|
45 |
0,42 – 0,50 |
610 |
|
360 |
16 |
40 |
229 |
0,5 |
|
50 |
0,47 – 0,55 |
640 |
|
380 |
14 |
40 |
241 |
0,4 |
|
55 |
0,52 – 0,60 |
660 |
|
390 |
13 |
35 |
255 |
– |
|
60 |
0,57 – 0,65 |
690 |
|
410 |
12 |
35 |
255 |
– |
|
Спокойные стали, маркируют без индекса, полуспокойные и кипящие с индексами соответственно «пс» «кп». Кипящими производят стали 08кп, 10кп, 15кп, 18кп, 20кп; полуспокойными – 08пс, 10пс, 15пс, 20пс.
В сталях допускается не более 0,8% Mn; 0,37% Si; 0,045% S; 0,035% P;
0,25% Cr; 0,3% Ni; 0,3% Cu; 0,08% As.
76
Легированные стали бывают качественными, высококачественными и особовысококачественными. Эти группы сталей многочисленны по числу марок.
Марка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр,
обозначающих ее химический состав. По ГОСТ 4543-71 принято обозначать хром – X, никель – Н, марганец – Г, кремний – С, молибден – М, вольфрам – В,
титан – Т, ванадий – Ф, алюминий – Ю, медь – Д, ниобий – Б, бор – Р, кобальт – К, цирконий – Ц. Число, стоящее после буквы, указывает на примерное содержание легирующего элемента в процентах. Если число отсутствует, то легирующего элемента меньше или около 1,4 мас.%, исключением является содержание Zr, B и Ti, их концентрации значительно меньше и не превышают по содержанию 0,5 мас.%.
Число в начале марки конструкционной легированной стали показывает содержание углерода в сотых долях процента. Например, сталь 40ХН3А в среднем содержит 0,40 % С, 1 % Сr и 3 % Ni. Буква А в конце марки означает что сталь высококачественная. Особовысококачественные стали (например,
после электрошлакового переплава) имеют в конце марки букву Ш, например, 20ХГС-Ш.
Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения: марки подшипниковых сталей начинаются с буквы Ш, автоматных – с буквы А.
Нестандартные легированные стали, выплавляемые заводом
«Электросталь», маркируют сочетанием букв ЭИ (электросталь исследовательская) или ЭП (П – пробная) и порядковым номером (например,
ЭИ415, ЭП716 и т.д.). После промышленного освоения условное обозначение заменяют на марку, отражающую примерный состав стали.
Чугуны подразделяются на белый чугун, серый, высокопрочный и ковкий.
Чугун с пластинчатым графитом в микроструктуре называют – серым чугуном,
с шаровидным графитом – ковким чугуном и с хлопьевидным графитом – ковким чугуном. Белый чугун содержит С в виде цементита Fe3C.
77
Белый чугун назван так по виду излома. Структура белого чугуна состоит из перлита, ледебурита и избыточного цементита. Поэтому он отличается высокой твердостью, хрупкостью, низкой прочностью и трудоемкостью механической обработки. Из отбеленного чугуна производят прокатные валки и др. Из белого чугуна делают отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун.
Серый чугун (ГОСТ 1412–85) в изломе имеет темно-серый цвет вследствие того, что весь углерод или часть его выделяется в виде графита. В зависимости от распада цементита различают ферритный, феррито-перлитный и перлитный серые чугуны.
Серый ферритный чугун получается при полном распаде цементита
(входящего в состав ледебурита), перлита, а также структурно свободного цементита. Структура чугуна состоит из феррита и графита.
Серый феррито-перлитный чугун характеризуется меньшей степенью графитизации, поскольку ей подвергается цементит (входящий в состав ледебурита), вторичный цементит и цементит, входящий в состав перлита. При этом образуется структурно свободный феррит, освобождающийся из перлита.
Структура становится феррито-перлитной с графитом.
Серый перлитный чугун образуется, когда графитизации подвергается полностью цементит, входящий в состав ледебурита, и вторичный цементит.
Структура перлитного чугуна после окончательных превращений состоит из перлита и графита.
Марка серого чугуна состоит из букв СЧ (серый чугун) и цифры,
показывающей уменьшенное в десять раз значение временного сопротивления при растяжении. Например, марка СЧ 25 означает, что чугун имеет σВ = 250
МПа.
Ковким чугуном (ГОСТ 1215–79) является белый чугун,
графитизированный термической обработкой (отжигом, томлением). Для получения ковкого чугуна необходимо белый чугун нагреть до 950 – 1000°С и затем после длительной выдержки охладить с малой скоростью до обычной
78
температуры. В зависимости от степени графитизации ковкий чугун может быть ферритным или перлитным, а также феррито – перлитным. Разная степень графитизации достигается изменением условий отжига.
Ковкий чугун не поддается ковке. Маркируют ковкие чугуны буквами КЧ и числами, первое из которых указывает уменьшенное в десять раз значение σВ,
второе – значение δ. Например, марка КЧ 60 – 3 означает, что чугун имеет σВ =
600 МПа и δ = 3%.
Высокопрочный чугун (ГОСТ 7293–85). Серый чугун с округлой
(глобулярной) формой графита, получаемый при модификации Mg или Сr,
называют высокопрочным чугуном. Такая форма графита определяет наибольшую сплошность металлической основы, а следовательно, высокую прочность, повышенную пластичность и ударную вязкость. Высокопрочный чугун получают из обычного серого перлитного чугуна.
Марка высокопрочного чугуна состоит из букв ВЧ и цифры,
показывающей уменьшенное в десять раз значение временного сопротивления при растяжении. Например, марка ВЧ 100 означает, что чугун имеет σВ = 1000
МПа.
Характеристика конструкционных сталей Конструкционная сталь – сталь предназначенная для изготовления деталей
машин и различных строительных сооружений. По основным особенностям,
определяющим область их применения в промышленности, можно разделить на две группы:
–стали общего назначения;
–стали специализированного назначения.
Стали общего назначения – применяются для изготовления различных деталей и изделий в разных отраслях машиностроения. Наиболее важной характеристикой, по которой выбираются эти стали, являются механические свойства. Поэтому марки машиностроительной стали для изготовления изделий
79
надо выбирать с учетом толщины изделия, а, следовательно, и прокаливаемости
стали. Отсюда и классификация стали общего назначения на группы:
–сталь небольшой прокаливаемости, прокаливающаяся полностью в деталях диаметром не более 10-15 мм;
–сталь средней прокаливаемости, прокаливающаяся полностью в деталях диаметром до 25-35 мм
–сталь повышенной прокаливаемости, прокаливающаяся полностью в деталях диаметром до 50-70 мм;
–сталь высокой прокаливаемости, прокаливающаяся в деталях диаметром более 75-100 мм, обладающая, кроме того, высокими прочностью и вязкостью после термической обработки.
Классификация конструкционной стали специализированного назначения:
Для железнодорожного транспорта:
–сталь для ж/д рельс;
–сталь для ж/д осей;
–сталь для бандажей;
–сталь для цельнокатаных колес.
Рессорно-пружинная (ГОСТ 2052);
Повышенной обрабатываемости (автоматная сталь ГОСТ 1414);
Износоустойчивая (ГОСТ 801);
Устойчивая против коррозии (коррозийностойкая и жаростойкая ГОСТ
5949);
Для работы под нагрузкой при повышенных температурах (жаропрочная ГОСТ 5632-72 и ГОСТ 7350-77).
Жаропрочные стали могут быть классифицированы:
а) в зависимости от количественного содержания легирующих элементов:
–низколегированные;
–среднелегированные;
–высоколегированные стали.
80